固體所開發了基於不對稱熱膨脹的可編程液態金屬光致動器

近期 ，中國科學院合肥物質院固體所高分子與複合材料研究部田興友和張獻研究員團隊受植物卷須啟發 ，利用液態金屬微球的光熱效應開發了基於不對稱熱膨脹的液態金屬/聚酰亞胺/聚四氟乙烯（LM/PI/PTFE）可編程光熱致動器 。該光熱致動器在柔性機器人 、智能設備和仿生係統領域展現出廣闊的應用前景 。相關結果以“Tendril-Inspired Programmable Liquid Metal Photothermal Actuators for Soft Robots”為題作為封麵文章發表在材料類TOP期刊Advanced Functional Materials (Adv. Funct. Mater., 2310380(2023))上 。      光熱致動器可以將光能通過熱能轉化為機械能 ，憑借結構簡單 、構築方法便捷 、光源清潔可持續引起了研究人員的極大關注 。然而 ，構築光熱致動器的常用光熱填料（碳材料和金屬微晶）是剛性填料 ，會降低基底的柔韌性和光熱致動器的響應速率 。液態金屬（LM）作為一種新興柔性填料 ，其微球與其他金屬顆粒類似 ，且具有優異的光熱性能 ，可用於製備光熱致動器 。

不對稱熱膨脹是構築光熱致動器的基本原理 ，但尚未用於構築可編程液態金屬光熱致動器 。基於不對稱熱膨脹的液態金屬光熱致動器也無法滿足需要多種動作的複雜應用 ，大大限製了光熱致動器的應用 。因此 ，構築基於不對稱熱膨脹的可編程液態金屬光熱致動器並豐富其動作至關重要 。      鑒於此 ，受植物卷須的啟發 ，固體所研究人員通過引入聚四氟乙烯（PTFE）帶作為“可以收縮和彎曲的原生質層” ， 構築了基於不對稱熱膨脹的可編程液態金屬光熱致動器 。該可編程液態金屬光熱致動器具有形變大 、響應快 、穩定性優異和高承重等優點 。研究人員進一步對該可編程液態金屬光熱致動器進行了建模 ，通過有限元分析（FEA）準確預測了彎曲形貌 。基於初始形態的可編程性和模型預測 ，成功設計出具有爬行 、滾動 、遊泳 、抓取 、搬運等多種功能的機器人 。該工作為光熱致動器的設計提供了新策略 ，並使得光熱致動器未來在仿生係統和機器人領域的發展應用成為可能 。      田興友研究員和張獻研究員為文章的共同通訊作者 ，博士生李宵飛為論文第一作者 。該研究工作得到國家自然科學基金 、合肥物質研究院院長基金 、中央引導地方科技發展專項基金的支持 。

論文鏈接 ：https://doi.org/10.1002/adfm.202310380

圖1. 受植物卷須啟發構築的可編程液態金屬光熱致動器 。

圖2. 基於初始形態的可編程性和模型預測 ，設計出具有爬行 、滾動 、遊泳 、抓取 、搬運等多種功能的柔性機器人 。